Das Warten hat ein Ende

Die Bekanntgabe im September 2007, dass der WirelessHart-Standard nunmehr Teil der Hart-7.0-Spezifikation ist, markiert einen wichtigen Meilenstein bei der sich schnell verbreitenden Akzeptanz der Wireless-Technologie für die Prozessautomatisierung. WirelessHart ist ein Kommunikationsprotokoll für drahtlose Netzwerke. Es erweitert die Möglichkeiten des Hart-Protokolls unter Beibehaltung der Kompatibilität zu existierenden Hart-Geräten, Anordnungen und Tools. Jedes WirelessHart-Netzwerk schließt drei Hauptelemente ein:

Das Netzwerk verwendet IEEE 802.15.4 kompatible Funksignale im Bandbereich von 2,4 GHz, der sowohl in der Industrie, in der Forschung und in der Medizin Anwendung findet. Für die Übertragung der Funksignale wird das Übertragungsverfahren der „Spread Spectrum Technology“ angewendet. Dieses gewährleistet zusammen mit einem ständigen Kanalwechsel die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Kommunikationsnetzwerkes, wie auch der TDMA-synchronisierten Kommunikation zwischen den Geräten im Netzwerk.

Jedes Gerät in diesem Mesh-Netzwerk kann als ein Router für die Übertragung von Nachrichten eines anderen Gerätes fungieren. Mit anderen Worten: Ein Gerät muss nicht unmittelbar mit einem Gateway kommunizieren, sondern kann die Nachrichten bzw. Daten einfach zum nächstgelegenen Gerät übertragen. Dadurch wird der Bereich des Netzwerkes erweitert und es werden redundante Kommunikationswege für eine verbesserte Zuverlässigkeit geschaffen. Der Netzwerkmanager bestimmt die redundanten Wege, basierend auf Latenz, Effektivität und Zuverlässigkeit. Um sicherzustellen, dass die redundanten Kommunikationswege offen und nicht blockiert sind, werden alternierend kontinuierlich Nachrichten über diese Wege ausgetauscht. Konsequenterweise – wie übrigens auch im Internet praktiziert – werden Nachrichten, die über einen bestimmten Pfad ihr Ziel nicht erreichen, automatisch auf einen anderen Pfad mit funktionierender Kommunikation umgeleitet, so dass kein Datenverlust auftritt.

Der Maschenaufbau macht auch das Hinzufügen und das Herausnehmen von Geräten aus dem Netzwerk einfach. Solange sich ein Gerät im Bereich eines anderen Gerätes im Netzwerk befindet, kann es auch kommunizieren.

Um eine flexible Einstellung auf unterschiedliche Anwendungsanforderungen sicherzustellen, unterstützt das WirelessHart-Protokoll mehrere Übertragungsmodi, einschließlich der einfachen Übertragung von Prozess- und Überwachungswerten, der Spontanmeldung in einer Ausnahmesituation, der Ad-hoc-Anforderung/Rückmeldung und der automatischen segmentierten Übertragung großer Datensätze. Diese Möglichkeiten erlauben es, die Kommunikation auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung anzupassen und dadurch den Stromverbrauch zu senken.

Als eine auf Standards basierende Technologie vereinigt WirelessHart die besten Lösungen und Ideen aus der Prozessautomatisierung und der Wireless-Technologie, um durch diese Zusammenarbeit die Interoperabilität der intelligenten Mess- und Regelgeräte der verschiedensten Hersteller für Anwendungen in der Prozessindustrie sicherzustellen. Das Hart-Protokoll unterstützt grundsätzlich die Kommunikation auf Anforderung oder nach Notwendigkeit und ist daher eine gute Wahl für Wireless-Anwendungen, bei denen eine lange Betriebszeit der Batterie notwendig ist. Mit mehr als 24 Millionen installierten Hart-Geräten auf der ganzen Welt verfügen die Anwender bereits über die notwendigen Tools, das Training und praktische Erfahrungen im Umgang mit der Hart-Technologie. Deren Popularität basiert auf ihrer einfachen Implementierung und Anwendung. Die große installierte Basis, die hohe Anzahl von Herstellern von Hart-Geräten und die organisatorische Stärke der HCF gewährleisten eine fortwährende Unterstützung dieses Protokolls. Die Erweiterung eines eingeführten Protokolls um die Möglichkeit der Kommunikation über Wireless verkürzt darüber hinaus die notwendige Entwicklungszeit und fördert die Akzeptanz für diese Technologie. Zusätzlich wird die Zeit bis zur Verfügbarkeit von Wireless-Feldgeräten verkürzt, da die Hersteller ihre konventionellen Hart-Geräte nur um die neue Technologie erweitern müssen.

Die Wireless-Technologie eröffnet neue Möglichkeiten für einen weiten Bereich von Anwendungen, von der Zugänglichkeit von Messungen, die sich vorher außerhalb der physikalischen oder ökonomischen Reichweite befanden, über die Verfolgung von Ausrüstungen und Personal in der Anlage bis hin zur Verbesserung der Sicherheit und Produktivität der Arbeitskraft. Wie das konventionelle Hart unterstützt WirelessHart den kompletten Bereich von Anwendungen für die Prozessüberwachung und Regelung, einschließlich der Prozess- und Ausrüstungsüberwachung, der Umweltüberwachung, des Energiemanagements und der Einhaltung behördlicher Auflagen, des Asset Managements, der vorbeugenden Instandhaltung, der modernen Gerätediagnose und der Überwachung eines Regelkreises.

Die Wireless-Technologie wird die konventionelle Instrumentierung ergänzen und nicht ersetzen. Die meisten Anlagen werden nebeneinander über beide Hart-Technologien verfügen. Die WirelessHart-Technologie ist abwärtskompatibel, einschließlich der Hart-Kommandostruktur und der DDLs (Device Description Language), und macht es einfach, sowohl konventionelle wie auch WirelessHart-Geräte mit den gleichen Tools zu unterstützen.

WirelessHart entspricht auch der allgemeinen Forderung nach einer Geräteaus-tauschbarkeit, um eine echte Interoperabilität zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass der Anwender die für seine Anwendung besten WirelessHart-Geräte unabhängig vom Hersteller auswählen kann und über die Gewissheit verfügt, dass die Geräte im System zusammenarbeiten und gegen andere Modelle ohne Verlust der Funktionalität im Host-System austauschbar sind, wie es von konventionellen Hart-Geräten bekannt ist.

Die Fieldbus Foundation (FF) und die Profibus Nutzerorganisation (PNO) haben bereits eine Vereinbarung mit der HCF unterzeichnet, die die Entwicklung der Spezifikation für eine gemeinsame Schnittstelle für ein Wireless-Gateway zum Inhalt hat. Das Ziel dabei ist es, eine Kompatibilität zu den existierenden konventionellen Lösungen beider Bustechnologien zu erreichen.

Der WirelessHart-Standard ist jetzt verfügbar. Dieser Standard steht für unzählige Stunden gezielter Anstrengungen dutzender Experten der Hart Communication Foundation und deren Mitgliedsunternehmen – von der formalen Bildung einer Arbeitsgruppe für die Wireless-Technologie im Jahre 2005 über die Entwicklung, Revision und Zulassung einer kompletten Spezifikation im September 2007. Der Standard wurde nunmehr in der Industrie veröffentlicht. Kommerziell verfügbare Produkte werden noch in diesem Frühjahr erwartet.

cav 404

Die WirelessHart-Netztopologie mit einer Selbstorganisations- und Selbstheilungscharakteristik erlaubt dem Netzwerk einen langzeitstabilen Betrieb, eine automatische Zuverlässigkeit und Robustheit. Werden die Kommunikationswege durch Interferenzen oder Hindernisse unterbrochen, so führt das Netzwerk sofort (und vollautomatisch) eine Umleitung der Übertragung durch, um das Kommunikationsproblem zu beheben. Weil WirelessHart eine wegoptimierte und redundante Netztopologie anwendet, ist dieser Vorteil für das gesamte Netzwerk verfügbar. Um Störungen durch andere Netzwerke zu umgehen, springt WirelessHart über 16 durch die IEEE 802.15.4 definierte Kanäle. Eine automatische Kanalbeurteilung hinsichtlich der Störfreiheit vor der Datenübertragung und eine Liste gestörter Kanäle kann dazu verwendet werden, Interferenzen zu vermeiden oder die Störung anderer Netzwerke zu verhindern.

Die Kommunikation zwischen den Geräten wird nach einem Zeitplan durchgeführt und ermöglicht eine sehr zuverlässige (kollisionsfreie), energieeffiziente und skalierbare Kommunikation, die die Interoperabilität unterstützt und einfach anzuwenden ist. Jede Datenübertragung verfügt über eine definierte Priorität, um die notwendige Dienstgüte (QoS) der Übertragung zu sichern. Festgelegte Zeitfenster ermöglichen es dem Netzwerkmanager ein optimales Netzwerk für die jeweilige Anwendung herzustellen, ohne dass durch den Anwender ein Eingreifen notwendig wird. Die Alternative dazu wäre der Gebrauch flexibler Zeitfenster oder einer unsynchronisierten Kommunikation, die zu einem signifikanten Aufwand beim Anwender, einer schlechten Dienstgüte, einem unnötigen Energieverbrauch und einer unzuverlässigen Kommunikation führen kann.

Zusätzliche Techniken wie die DSSS-Technologie (Verschlüsselungsdiversität) und die einstellbare Übertragungsleistung (Leistungsdiversität) können dabei helfen, über WirelessHart eine zuverlässige Kommunikation auch inmitten anderer Wireless-Netzwerke aufzubauen.

Bei WirelessHart können die Anwender und Gerätehersteller die Energieoption auswählen, die am besten zur jeweiligen Anwendung passt. Beispieloptionen umfassen Long-life-Batterien, Solarzellen, die Netzspannung und die Speisespannung mittels Zweileitertechnik. Geräte, die wirklich kabellos funktionieren, d. h. nicht mit einer Netz- oder Speisespannung betrieben werden, offerieren die größte Flexibilität und die niedrigsten Installationskosten. Um die Vorteile der Wireless-Technologie wirklich voll zu nutzen, muss der Energieverbrauch der Geräte minimal gehalten werden, so dass Batterien mit verlängerter Betriebszeit oder Solarenergie zur Energieversorgung eingesetzt werden kann. Aus diesen Gründen wurde jede potenzielle Anforderung oder jedes gewünschte Ausstattungsmerkmal gegen die dafür benötigte Leistungsaufnahme abgewogen. Dies führte dazu, dass sich der energieeffiziente Betrieb tief in das Protokoll eingeprägt hat.

Direkt zur HCF

VDI-Fachtagung Wireless Automation 2007